240fs全光纤啁啾脉冲放大激光系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种240fs全光纤啁啾脉冲放大激光系统。该系统包括沿光路依次设置的信号激光源、光纤放大器和光栅压缩器。信号激光源为全光纤锁模振荡器；光纤放大器采用MOPA级联放大结构，包括两级以上纤芯直径逐级递增的增益光纤；光栅压缩器包括沿光路依次设置的准直透镜、分光棱镜、二分之一波片、第一光栅、第二光栅、直角棱镜和平面镜。本实用新型采用全光纤啁啾脉冲放大技术，无需展宽，直接对振荡级输出的信号光进行放大，通过控制放大传输过程中积累的B积分总量，合理控制系统的非线性，并进行有效的色散管理，实现了系统结构简化的脉宽窄、峰值功率高、光谱宽度大等特点的240飞秒窄脉冲激光输出。
【专利说明】
240fs全光纤啁啾脉冲放大激光系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种激光技术领域，具体而言，涉及一种240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统。【背景技术】
[0002]飞秒激光具有脉宽窄、峰值功率高、光谱宽度大等特点，在超快非线性光学、太赫兹波产生、飞秒化学等基础研究领域已经得到了广泛的应用。特别是大能量高功率的飞秒激光，由于其与物质相互作用时，热效应小，加工孔径周围没有熔融区，对加工材料无选择性等特点，在超精细加工、微光子器件制造、医学精密手术、高密度三维光存储、纳米生物工程、纳米医学和国防激光武器等领域有着广泛的应用。
[0003]目前获得高单脉冲能量的光纤飞秒激光放大系统一般采用啁嗽脉冲放大(CPA)技术，该方案虽能获得毫焦量级的单脉冲能量，但增加了激光系统的复杂性，提高了成本，弓丨入了额外的损耗，使得其实用性和性价比较低，不利于小型化。与上述技术相比于，在光纤 CPA技术中，采用没有脉冲展宽器的“直接放大技术”具有更简单的结构。直接对振荡级输出的信号光进行放大，在保证较高单脉冲能量的同时，简化了系统的结构，且振荡级的信号光在放大的过程中，光脉冲在得到增益的同时，利用自相位调制效应展宽光谱，并在相对较长增益光纤中正色散的作用下使脉冲中部的啁嗽逐渐线性化，经光栅对压缩后的脉冲更窄， 峰值功率进一步提高。但是，由于光纤自身的结构特性，当高功率的超短脉冲在光纤中传播时，极高的峰值功率必然会激起诸多的非线性效应，导致脉冲波形畸变，脉冲两翼明显地背离了抛物线，形成非线性啁嗽，经光栅压缩后产生基底或旁瓣，所以即使脉冲光谱展宽得再宽，脉冲可压缩得更窄，但非线性啁嗽的引入也会降低脉冲质量，减小有效能量，导致脉冲峰值功率下降。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种全光纤啁嗽脉冲放大技术，来解决高单脉冲能量输出的光纤飞秒激光放大系统结构复杂性问题。
[0005]本发明实施例提供了一种240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其包括沿光路依次设置的信号激光源(1)、光纤放大器(2)和光栅压缩器(3);所述光纤放大器包括两级以上纤芯直径逐级递增的增益光纤;所述光栅压缩器(3)包括沿光路依次设置的准直透镜(5)、 分光棱镜(6)、二分之一波片(7)、第一光栅(8)、第二光栅(9)、直角棱镜(10)和平面镜(11)。
[0006]在一些实施例中，优选为，所述信号激光源为基于SESAM锁模的光纤振荡器，呈线性腔结构。
[0007]在一些实施例中，优选为，所述光纤振荡器中，所述SESAM封装于两个FC/PC跳线之间，并通过法兰连接。
[0008]在一些实施例中，优选为，所述光纤放大器采用M0PA级联放大结构，包括沿光路依次设置的第一级预放大级、第二级预放大级、第三级功率主放大级。
[0009]在一些实施例中，优选为，所述第一级预放大级的掺镱光纤为单包层。
[0010]在一些实施例中，优选为，所述第二级预放大级的掺镱光纤为大模场双包层。
[0011]在一些实施例中，优选为，所述第三级功率主放大级的掺镱光纤为大模场双包层。
[0012]在一些实施例中，优选为，所述光纤放大器的输出激光经过准直透镜后进入压缩器中，焦距为25mm;所述分光棱镜为偏振分光棱镜;所述平面镜为lum波段激光高反镜。 [〇〇13]在一些实施例中，优选为，所述直角棱镜为45°直角棱镜，通过45°直角棱镜的位置使经过光栅对的激光再次反向通过光栅对一次。
[0014]本发明实施例提供的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，与现有技术相比，有益效果为:
[0015]该系统采用采用非线性脉冲放大技术的光纤放大器，通过光纤熔接工艺实现全光纤化，无需展宽器，直接对振荡级输出的信号光进行放大，通过控制放大传输过程中积累的 B积分总量，合理控制系统的非线性，并进行有效的色散管理，来保证高单脉冲能量输出的同时，简化了系统结构。单脉冲能量高、系统结构简单，利于集成化。而且，光栅压缩器直接采用两个平行设置的光栅进行压缩，简化了压缩系统结构，提高了系统的实用性和性价比。
[0016]另外，采用基于SESAM锁模的光纤振荡器，结构简单、脉冲宽度窄、开机即可实现稳定的自启动、运行数小时的过程中锁模一直处于稳定状态。【附图说明】
[0017]图1为本发明一个实施例中整个系统的结构示意图；
[0018]图2为本发明一个实施例中光栅压缩器的结构示意图。
[0019]注:1、信号激光源;2、光纤放大器;3、光栅压缩器;4、端帽；5、准直透镜;6、分光棱镜;7、二分之一波片;8、第一光栅;9、第二光栅、10直角棱镜;11、平面镜。【具体实施方式】
[0020]下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。[0021 ]考虑到高单脉冲能量输出的飞秒啁嗽脉冲激光放大系统结构复杂性以及全光纤结构的飞秒激光放大系统输出脉冲能量低等问题，本发明提供一种240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统。
[0022]如图1所示，具体包括:
[0023]沿光路依次设置的信号激光源1、光纤放大器2,光栅压缩器3;其中光纤放大器包括两级以上纤芯直径逐级递增的增益光纤;其中光栅压缩器3包括沿光路依次设置的准直透镜5、分光棱镜6、二分之一波片7、第一光栅8、第二光栅9、直角棱镜10、平面镜11。
[0024]该系统采用非线性脉冲放大技术的光纤放大器，通过光纤熔接工艺实现全光纤化，无需展宽器，直接对振荡级输出的信号光进行放大，通过控制放大传输过程中积累的B 积分总量，合理控制系统的非线性，并进行有效的色散管理，来保证高单脉冲能量输出的同时，简化了系统结构。单脉冲能量高、系统结构简单，利于集成化。而且，光栅压缩器直接采用两个平行设置的光栅进行压缩，简化了压缩系统结构，提高了系统的实用性和性价比。
[0025]接下来，对该技术进行详细描述:
[0026]本实施例中，光纤放大器的核心技术为M0PA级联放大技术，光栅压缩器的核心元件为平行设置的两光栅。
[0027]M0PA(主振荡功率放大)级联放大技术实现了整个放大激光器的全纤化结构，通过合理的控制各级放大增益光纤的长度、芯径的尺寸及种子注入与能量增益来控制放大器中的非线性积累。本发明中逐级递增各放大级光纤的纤芯尺寸来合理的控制系统中的B积分总量，最后一级功率主放采用大芯径的大模场双包层掺镱光纤。大芯径光纤的熔接处理手艺难度也会加大，本发明中克服了大芯径光纤的熔接问题。采用这种放大方式对种子光进行放大，保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出。
[0028]—对平行放置的光栅可以作为色散延迟线，和棱镜对一样，平行两光栅可以提供一个群速度色散(GVD)量，它能够对正啁嗽的光脉冲提供一个反常的GVD量，从而对光脉冲起到压缩作用。采用平行设置的两光栅最大的优点是能够以较小的光栅间距提供较大的 GVD色散量，并且其色散补偿量可以调节，平行两光栅本身不产生物质弥散。[0〇29]本实施例中信号激光源1为基于SESAM(半导体可饱和吸收体)锁模的光纤振荡器， 构成线性腔结构，信号光在此谐振腔内来回振荡，实现稳定的连续锁模。SESAM封装于两个 FC/PC跳线之间，通过法兰进行连接，该封装方式是一种自主研制的封装方式，此种封装方式已经通过实验验证，将其熔接到谐振腔中可以实现稳定的连续锁模。光纤放大器包括两级以上纤芯直径逐级递增的增益光纤，本实施例中选择三级M0PA级联放大技术，包括沿光路依次设置的第一级预放大级、第二级预放大级、第三级功率主放大级。第一级预放大级的增益光纤为单包层掺镱光纤，第二级预放大级的增益光纤为大模场双包层掺镱光纤;第三级功率主放大级的增益光纤为大芯径大模场双包层掺镱光纤，经过两级预放大后，信号激光在第三级功率主放大级最终可被放大到20W。如图2所示，在光纤放大器2的输出端帽4后搭建一个准直系统，考虑到第一光栅8和第二光栅9处的损伤阈值，光纤放大器2的输出功率仅加到2W，在光栅压缩器3中，脉冲激光首先经非球面准直透镜5进行准直，再经过偏振分光棱镜6,得到水平偏振光或垂直偏振光，水平或垂直偏振光的激光功率约为1W，之后水平或垂直偏振光通过二分之一波片7,得到更纯净的线偏振光，最后将纯净的线偏振光注入到平行设置的第一光栅8和第二光栅9压缩系统中进行色散补偿。经第二光栅输出的激光入射到直角棱镜10后，通过45°直角棱镜的位置使经过光栅对的激光再次反向通过光栅对一次，激光依次反向平行经过第二光栅9和第一光栅8,达到两次色散补偿的目的。最后经lum波段激光高反平面镜11输出压缩后的激光。通过调节第一光栅处入射光的入射角度及第一光栅8 和第二光栅9之间的距离，调节压缩效果。最终在入射角度为19°，两光栅垂直距离为110mm 时，得到最佳的压缩效果，脉冲宽度由3.5ps压缩到240f s。
[0030]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于包括沿光路依次设置的信号 激光源(1)、光纤放大器(2)和光栅压缩器(3);所述光纤放大器包括两级以上纤芯直径逐级 递增的增益光纤;所述光栅压缩器(3)包括沿光路依次设置的准直透镜(5)、分光棱镜(6)、 二分之一波片(7)、第一光栅(8)、第二光栅(9)、直角棱镜(10)和平面镜(11)。2.如权利要求1所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述信号激 光源为基于SESAM锁模的光纤振荡器，呈线性腔结构。3.如权利要求2所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述光纤振 荡器中，所述SESAM封装于两个FC/PC跳线之间，并通过法兰连接。4.如权利要求1所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述光纤放 大器采用MOPA级联放大结构，包括沿光路依次设置的第一级预放大级、第二级预放大级、第 三级功率主放大级。5.如权利要求4所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述第一级 预放大级的掺镱光纤为单包层。6.如权利要求4所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述第二级 预放大级的掺镱光纤为大模场双包层。7.如权利要求4所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所述第三级 功率主放大级的掺镱光纤为大模场双包层。8.如权利要求1-7任一项所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所 述光纤放大器的输出激光经过准直透镜后进入光栅压缩器中，焦距为25mm;所述分光棱镜 为偏振分光棱镜;所述平面镜为lum波段激光高反镜。9.如权利要求1-7任一项所述的240fs全光纤啁嗽脉冲放大激光系统，其特征在于，所 述直角棱镜为45°直角棱镜。
【文档编号】G02F1/39GK205693131SQ201620615525
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月21日 公开号201620615525.0, CN 201620615525, CN 205693131 U, CN 205693131U, CN-U-205693131, CN201620615525, CN201620615525.0, CN205693131 U, CN205693131U
【发明人】李平雪, 王晓晓
【申请人】北京工业大学